10-Flink 状态管理

Flink 官网主页地址:https://flink.apache.org
Flink 官方中文地址:https://nightlies.apache.org/flink/flink-docs-stable/zh/

1、状态管理

1.1.1、概述

1.1.2、状态的分类

1、托管状态(Managed State)和原始状态(Raw State)

Flink 的状态有两种:托管状态(Managed State)和原始状态(Raw State)。

  • 托管状态就是由 Flink 统一管理的,状态的存储访问、故障恢复和重组等一系列问题都由 Flink 实现,我们只要调接口就可以;
  • 原始状态则是自定义的,相当于就是开辟了一块内存,需要我们自己管理,实现状态的序列化和故障恢复。

通常我们采用 Flink 托管状态来实现需求。

2、算子状态(Operator)和按键分区状态(Keyed State)

接下来我们的重点就是托管状态(Managed State)。

我们知道在 Flink 中,一个算子任务会按照并行度分为多个并行子任务执行,而不同的子任务会占据不同的任务槽(task slot)。由于不同的 slot 在计算资源上是物理隔离的,所以 Flink 能管理的状态在并行任务间是无法共享的,每个状态只能针对当前子任务的实例有效。

而很多有状态的操作(比如聚合、窗口)都是要先做 keyBy 进行按键分区的。按键分区之后,任务所进行的所有计算都应该只针对当前 key 有效,所以状态也应该按照 key 彼此隔离。在这种情况下,状态的访问方式又会有所不同。

基于这样的想法,我们又可以将托管状态分为两类:算子状态和按键分区状态。


另外,也可以通过富函数类(Rich Function)来自定义 Keyed State,所以只要提供了富函数类接口的算子,也都可以使用 Keyed State。所以即使是 map、filter 这样无状态的基本转换算子,我们也可以通过富函数类给它们“追加”Keyed State。比如 RichMapFunction、RichFilterFunction。在富函数中,我们可以调用 .getRuntimeContext() 获取当前的运行时上下文(RuntimeContext),进而获取到访问状态的句柄;这种富函数中自定义的状态也是 Keyed State。从这个角度讲,Flink 中所有的算子都可以是有状态的。

无论是 Keyed State 还是 Operator State,它们都是在本地实例上维护的,也就是说每个并行子任务维护着对应的状态,算子的子任务之间状态不共享。

1.2、按键分区状态(Keyed State)

按键分区状态(Keyed State)顾名思义,是任务按照键(key)来访问和维护的状态。它的特点非常鲜明,就是以 key 为作用范围进行隔离。

需要注意,使用 Keyed State 必须基于 KeyedStream。没有进行 keyBy 分区的 DataStream,即使转换算子实现了对应的富函数类,也不能通过运行时上下文访问 Keyed Stat

1.2.1、值状态(ValueState)

顾名思义,状态中只保存一个“值”(value)。ValueState 本身是一个接口,源码中定义如下:

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public interface ValueState<T> extends State {
T value() throws IOException;
void update(T value) throws IOException;
}

这里的 T 是泛型,表示状态的数据内容可以是任何具体的数据类型。如果想要保存一个长整型值作为状态,那么类型就是 ValueState。

我们可以在代码中读写值状态,实现对于状态的访问和更新。

  • T value():获取当前状态的值;
  • update(T value):对状态进行更新,传入的参数value就是要覆写的状态值。

在具体使用时,为了让运行时上下文清楚到底是哪个状态,我们还需要创建一个“状态描述器”(StateDescriptor)来提供状态的基本信息。例如源码中,ValueState 的状态描述器构造方法如下:

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public ValueStateDescriptor(String name, Class<T> typeClass) {
super(name, typeClass, null);
}

这里需要传入状态的名称和类型——这跟我们声明一个变量时做的事情完全一样。

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* keyedState在使用时,只需要先keyBy
* 在后续的处理函数中,自带生命周期方法
* open():需要再Task启动时,从之前的备份中根据描述取出状态
*
* 特点:每一个 Task 上,各种 key 各有各的 State,互不干扰
* ------------------------------------------------
* ValueState 储存单个值,可以是任意类型
* -------------------------------------------------
* 检测每种传感器的水位值,如果连续的两个水位值超过 10 就输出报警
*/
public class Demo01_ValueState {
public static void main(String[] args) throws Exception {
//创建Flink配置类(空参创建的话都是默认值)
Configuration configuration = new Configuration();
//修改配置类中的WebUI端口号
configuration.setInteger("rest.port",3333);
//创建Flink环境(并且传入配置对象)
StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment(configuration);

env.socketTextStream("hadoop102",9999)
.map(new WaterSensorFunction())
.keyBy(WaterSensor::getId)
.process(new KeyedProcessFunction<String, WaterSensor, String>() {

private ValueState<Integer> state;

@Override
public void open(Configuration parameters) throws Exception {
//设置状态存储的描述器
ValueStateDescriptor<Integer> stateDescriptor = new ValueStateDescriptor<>("state", Integer.class);
//获取状态的存储
state = getRuntimeContext().getState(stateDescriptor);
}

@Override
public void processElement(WaterSensor value, KeyedProcessFunction<String, WaterSensor, String>.Context ctx, Collector<String> out) throws Exception {
//如果状态中从来没有存储过数据,此时lastVc是null
Integer lastVc = state.value();

//连续两个水位值超过10,就输出报警
if (lastVc!=null&&lastVc>10&&value.getVc()>10){
out.collect(ctx.getCurrentKey()+"连续两个传感器的vc("+lastVc+","+value.getVc()+")超过10.....");
}
state.update(value.getVc());
}
}).print();

env.execute();
}
}

测试截图:

1.2.2、列表状态(ListState)

将需要保存的数据,以列表(List)的形式组织起来。在 ListState 接口中同样有一个类型参数 T,表示列表中数据的类型。ListState 也提供了一系列的方法来操作状态,使用方式与一般的List非常相似。

  • Iterable get():获取当前的列表状态,返回的是一个可迭代类型 Iterable;
  • update(List values):传入一个列表 values,直接对状态进行覆盖;
  • add(T value):在状态列表中添加一个元素 value;
  • addAll(List values):向列表中添加多个元素,以列表 values 形式传入。

类似地,ListState 的状态描述器就叫作 ListStateDescriptor,用法跟 ValueStateDescriptor 完全一致。

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/**
* keyedState在使用时,只需要先keyBy
* 在后续的处理函数中,自带生命周期方法
* open():需要再Task启动时,从之前的备份中根据描述取出状态
*
* 特点:每一个Task上,各种key各有各的State,互不干扰
* ------------------------------------------------
* ListState 储存多个类型相同的值,可以是任意类型
* -------------------------------------------------
* 取水位最高的前三
*/
public class Demo02_ListState {
public static void main(String[] args) throws Exception {
//创建Flink配置类(空参创建的话都是默认值)
Configuration configuration = new Configuration();
//修改配置类中的WebUI端口号
configuration.setInteger("rest.port",3333);
//创建Flink环境(并且传入配置对象)
StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment(configuration);

env.socketTextStream("hadoop102",9999)
.map(new WaterSensorFunction())
.keyBy(WaterSensor::getId)
.process(new KeyedProcessFunction<String, WaterSensor, String>() {

private ListState<Integer> state;

@Override
public void open(Configuration parameters) throws Exception {
//设置状态存储的描述器
ListStateDescriptor<Integer> listStateDescriptor = new ListStateDescriptor<>("state", Integer.class);
//获取状态的存储
state = getRuntimeContext().getListState(listStateDescriptor);
}

@Override
public void processElement(WaterSensor value, KeyedProcessFunction<String, WaterSensor, String>.Context ctx, Collector<String> out) throws Exception {

state.add(value.getVc());

List<Integer> top3 = StreamSupport.stream(state.get().spliterator(), true).sorted(Comparator.reverseOrder()).limit(3).collect(Collectors.toList());

out.collect(ctx.getCurrentKey()+"最新Top水位:"+top3);

state.update(top3);

}
}).print();

env.execute();
}
public static class MyMapFunction implements MapFunction<String ,String>, CheckpointedFunction
{

//private List<String> strs = new ArrayList<>();
/*
把它当List集合用。
添加元素:
ListState.add()
ListState.addAll()
删除: ListState.clear()
修改: ListState.update() 覆盖修改
等价于 先清空,再写入

读取: ListState.get()
*/
private ListState<String> strs;
private ListState<String> strs1;
private ListState<String> strs2;
@Override
public String map(String value) throws Exception {
strs.add(value);
return strs.get().toString();
}

//备份状态 周期性(ck设置的周期)执行。
@Override
public void snapshotState(FunctionSnapshotContext context) throws Exception {
System.out.println("MyMapFunction.snapshotState");
}

//Task重启后,做初始化。为声明的状态去赋值和恢复。 在Task启动时,只执行一次
@Override
public void initializeState(FunctionInitializationContext context) throws Exception {
System.out.println("MyMapFunction.initializeState");

//找到之前OperatorState的备份
OperatorStateStore operatorStateStore = context.getOperatorStateStore();
//准备要取出的状态的描述
ListStateDescriptor<String> strsListStateDescriptor = new ListStateDescriptor<>("list1", String.class);
//从备份中找到指定的状态,取出
strs = operatorStateStore.getListState(strsListStateDescriptor);

}
}
}

测试截图:

1.2.3、Map 状态(MapState)

把一些键值对(key-value)作为状态整体保存起来,可以认为就是一组 key-value 映射的列表。对应的 MapState<UK, UV> 接口中,就会有 UK、UV 两个泛型,分别表示保存的 key 和 value 的类型。同样,MapState 提供了操作映射状态的方法,与 Map 的使用非常类似。

  • UV get(UK key):传入一个 key 作为参数,查询对应的 value 值;
  • put(UK key, UV value):传入一个键值对,更新 key 对应的 value 值;
  • putAll(Map<UK, UV> map):将传入的映射 map 中所有的键值对,全部添加到映射状态中;
  • remove(UK key):将指定 key 对应的键值对删除;
  • boolean contains(UK key):判断是否存在指定的 key,返回一个 boolean 值。另外,MapState 也提供了获取整个映射相关信息的方法;
  • Iterable<Map.Entry<UK, UV>> entries():获取映射状态中所有的键值对;
  • Iterable keys():获取映射状态中所有的键(key),返回一个可迭代 Iterable 类型;
  • Iterable values():获取映射状态中所有的值(value),返回一个可迭代 Iterable 类型;
  • boolean isEmpty():判断映射是否为空,返回一个 boolean 值。

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/**
* keyedState在使用时,只需要先keyBy
* 在后续的处理函数中,自带生命周期方法
* open():需要再Task启动时,从之前的备份中根据描述取出状态
*
* 特点:每一个Task上,各种key各有各的State,互不干扰
* ------------------------------------------------
* mapState储存多个值,可以是任意类型
* -------------------------------------------------
* 统计每种传感器每种水位值出现的次数
*/
public class Demo03_MapState {
public static void main(String[] args) throws Exception {
//创建Flink配置类(空参创建的话都是默认值)
Configuration configuration = new Configuration();
//修改配置类中的WebUI端口号
configuration.setInteger("rest.port",3333);
//创建Flink环境(并且传入配置对象)
StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment(configuration);

env.socketTextStream("hadoop102",9999)
.map(new WaterSensorFunction())
.keyBy(WaterSensor::getId)
.process(new KeyedProcessFunction<String, WaterSensor, String>() {

private MapState<Integer,Integer> state;

@Override
public void open(Configuration parameters) throws Exception {
//设置状态存储的描述器
MapStateDescriptor<Integer, Integer> mapStateDescriptor = new MapStateDescriptor<>("state", Integer.class, Integer.class);
//获取状态的存储
state = getRuntimeContext().getMapState(mapStateDescriptor);
}

@Override
public void processElement(WaterSensor value, KeyedProcessFunction<String, WaterSensor, String>.Context ctx, Collector<String> out) throws Exception {
if (state.get(value.getVc())!=null){
Integer nums = state.get(value.getVc());
state.put(value.getVc(),nums+1);
}else {
state.put(value.getVc(),1);
}
out.collect(ctx.getCurrentKey()+":"+state.entries().toString());

}
}).print();

env.execute();
}
}

测试截图:

1.2.4、归约状态(ReducingState)

类似于值状态(Value),不过需要对添加进来的所有数据进行归约,将归约聚合之后的值作为状态保存下来。ReducingState 这个接口调用的方法类似于 ListState,只不过它保存的只是一个聚合值,所以调用 .add() 方法时,不是在状态列表里添加元素,而是直接把新数据和之前的状态进行归约,并用得到的结果更新状态。

归约逻辑的定义,是在归约状态描述器(ReducingStateDescriptor)中,通过传入一个归约函数(ReduceFunction)来实现的。这里的归约函数,就是我们之前介绍 reduce 聚合算子时讲到的 ReduceFunction,所以状态类型跟输入的数据类型是一样的。

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public ReducingStateDescriptor(
String name, ReduceFunction<T> reduceFunction, Class<T> typeClass) {...}

这里的描述器有三个参数,其中第二个参数就是定义了归约聚合逻辑的 ReduceFunction,另外两个参数则是状态的名称和类型。

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/**
* 带有聚合功能的状态,需要吧数据存入状态,可以自动根据逻辑聚合
* 获取状态的值,就是聚合后的结果
*
*
* 计算每个传感器的水位和
*
*/
public class Demo04_ReduceState {
public static void main(String[] args) throws Exception {
//创建Flink配置类(空参创建的话都是默认值)
Configuration configuration = new Configuration();
//修改配置类中的WebUI端口号
configuration.setInteger("rest.port",3333);
//创建Flink环境(并且传入配置对象)
StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment(configuration);

env.socketTextStream("hadoop102",9999)
.map(new WaterSensorFunction())
.keyBy(WaterSensor::getId)
.process(new KeyedProcessFunction<String, WaterSensor, String>() {

private ReducingState<Integer> state;

@Override
public void open(Configuration parameters) throws Exception {
//设置状态存储的描述器
ReducingStateDescriptor stateDescriptor = new ReducingStateDescriptor<>("state",
new ReduceFunction<Integer>() {
@Override
public Integer reduce(Integer value1, Integer value2) throws Exception {
return value1+value2;
}
},
Integer.class);
//获取状态的存储
state = getRuntimeContext().getReducingState(stateDescriptor);
}

@Override
public void processElement(WaterSensor value, KeyedProcessFunction<String, WaterSensor, String>.Context ctx, Collector<String> out) throws Exception {
state.add(value.getVc());
out.collect(ctx.getCurrentKey()+":"+state.get());
}
}).print();

env.execute();
}
}

测试截图:

1.2.5、聚合状态(AggregatingState)

与归约状态非常类似,聚合状态也是一个值,用来保存添加进来的所有数据的聚合结果。与 ReducingState 不同的是,它的聚合逻辑是由在描述器中传入一个更加一般化的聚合函数(AggregateFunction)来定义的;这也就是之前我们讲过的 AggregateFunction,里面通过一个累加器(Accumulator)来表示状态,所以聚合的状态类型可以跟添加进来的数据类型完全不同,使用更加灵活。

同样地,AggregatingState 接口调用方法也与 ReducingState 相同,调用 .add() 方法添加元素时,会直接使用指定的 AggregateFunction 进行聚合并更新状态。

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/**
* 带有聚合功能的状态,需要吧数据存入状态,可以自动根据逻辑聚合
* 获取状态的值,就是聚合后的结果
*
* 计算每个传感器的水位平均值
*/
public class Demo06_AggregatingState {
public static void main(String[] args) throws Exception {
//创建Flink配置类(空参创建的话都是默认值)
Configuration configuration = new Configuration();
//修改配置类中的WebUI端口号
configuration.setInteger("rest.port",3333);
//创建Flink环境(并且传入配置对象)
StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment(configuration);

env.socketTextStream("hadoop102",9999)
.map(new WaterSensorFunction())
.keyBy(WaterSensor::getId)
.process(new KeyedProcessFunction<String, WaterSensor, String>() {


private AggregatingState<Integer, Double> state;

@Override
public void open(Configuration parameters) throws Exception {
//设置状态存储的描述器
//获取状态的存储
state = getRuntimeContext()
.getAggregatingState(
new AggregatingStateDescriptor<>(
"state",
new AggregateFunction<Integer, Tuple2<Integer, Double>, Double>()
{
@Override
public Tuple2<Integer, Double> createAccumulator() {
return Tuple2.of(0, 0d);
}

@Override
public Tuple2<Integer, Double> add(Integer value, Tuple2<Integer, Double> accumulator) {
accumulator.f0 += 1;
accumulator.f1 += value;
return accumulator;
}

@Override
public Double getResult(Tuple2<Integer, Double> accumulator) {
return accumulator.f1 / accumulator.f0;
}

//不用写
@Override
public Tuple2<Integer, Double> merge(Tuple2<Integer, Double> a, Tuple2<Integer, Double> b) {
return null;
}
},
Types.TUPLE(Types.INT, Types.DOUBLE)
)
);
}

@Override
public void processElement(WaterSensor value, KeyedProcessFunction<String, WaterSensor, String>.Context ctx, Collector<String> out) throws Exception {
state.add(value.getVc());
//取出结果
out.collect(ctx.getCurrentKey() +" avgVc:" +state.get());
}
}).print();

env.execute();
}
}

测试截图:

1.2.6、状态生存时间(TTL)

在实际应用中,很多状态会随着时间的推移逐渐增长,如果不加以限制,最终就会导致存储空间的耗尽。一个优化的思路是直接在代码中调用 .clear() 方法去清除状态,但是有时候我们的逻辑要求不能直接清除。这时就需要配置一个状态的“生存时间”(time-to-live,TTL),当状态在内存中存在的时间超出这个值时,就将它清除。

具体实现上,如果用一个进程不停地扫描所有状态看是否过期,显然会占用大量资源做无用功。状态的失效其实不需要立即删除,所以我们可以给状态附加一个属性,也就是状态的“失效时间”。状态创建的时候,设置 失效时间 = 当前时间 + TTL;之后如果有对状态的访问和修改,我们可以再对失效时间进行更新;当设置的清除条件被触发时(比如,状态被访问的时候,或者每隔一段时间扫描一次失效状态),就可以判断状态是否失效、从而进行清除了。

配置状态的 TTL 时,需要创建一个 StateTtlConfig 配置对象,然后调用状态描述器的 .enableTimeToLive() 方法启动 TTL 功能。

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StateTtlConfig ttlConfig = StateTtlConfig
.newBuilder(Time.seconds(10))
.setUpdateType(StateTtlConfig.UpdateType.OnCreateAndWrite)
.setStateVisibility(StateTtlConfig.StateVisibility.NeverReturnExpired)
.build();

ValueStateDescriptor<String> stateDescriptor = new ValueStateDescriptor<>("my state", String.class);

stateDescriptor.enableTimeToLive(ttlConfig);

这里用到了几个配置项:

  • .newBuilder()
    状态 TTL 配置的构造器方法,必须调用,返回一个 Builder 之后再调用 .build() 方法就可以得到 StateTtlConfig 了。方法需要传入一个 Time 作为参数,这就是设定的状态生存时间。
  • .setUpdateType()
    设置更新类型。更新类型指定了什么时候更新状态失效时间,这里的 OnCreateAndWrite 表示只有创建状态和更改状态(写操作)时更新失效时间。另一种类型 OnReadAndWrite 则表示无论读写操作都会更新失效时间,也就是只要对状态进行了访问,就表明它是活跃的,从而延长生存时间。这个配置默认为 OnCreateAndWrite。
  • .setStateVisibility()
    设置状态的可见性。所谓的“状态可见性”,是指因为清除操作并不是实时的,所以当状态过期之后还有可能继续存在,这时如果对它进行访问,能否正常读取到就是一个问题了。这里设置的 NeverReturnExpired 是默认行为,表示从不返回过期值,也就是只要过期就认为它已经被清除了,应用不能继续读取;这在处理会话或者隐私数据时比较重要。对应的另一种配置是 ReturnExpireDefNotCleanedUp,就是如果过期状态还存在,就返回它的值。
    除此之外,TTL 配置还可以设置在保存检查点(checkpoint)时触发清除操作,或者配置增量的清理(incremental cleanup),还可以针对RocksDB 状态后端使用压缩过滤器(compaction filter)进行后台清理。这里需要注意,目前的 TTL 设置只支持处理时间。
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* 程序是7*24小时一直运行
* 状态是储存在内存中。如果不动手清理(Clear()),状态会越存越多。
* 内存是有限的,当状态过多时,需要把一些可以清理的状态,清理掉。
* 实现方式:
* 自己调用clear()
* 自动清理(设置一个过期时间)
* ----------------------------------------------
* 过期时间: ttl time to live
*
* 1、设置一个过期对象
* 2、讲对象传入在open方法中的状态描述的方法中
*
*/
public class Demo09_Ttl{
public static void main(String[] args) throws Exception {
//创建Flink配置类(空参创建的话都是默认值)
Configuration configuration = new Configuration();
//修改配置类中的WebUI端口号
configuration.setInteger("rest.port",3333);
//创建Flink环境(并且传入配置对象)
StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment(configuration);

//并行度
env.setParallelism(1);

//构造状态的过期时间对象
StateTtlConfig ttlConfig = StateTtlConfig
//传入状态的存活时间
.newBuilder(Time.seconds(15))
//状态过期了就不返回了
.neverReturnExpired()
/**
* 清理过期状态的原理:
* 如果设置了ttl,此时每个状态在存储的时候,会多储存一个lastAccessTime字段
*
* 设置状态中存活时间的更新策略。用来更新lastAccessTime
* OnCreateAndWrite:lastAccessTime会在状态被写的时候更新
* OnReadAndWrite:lastAccessTime会在状态被读或写的时候更新
* 如何判断过期
* 没有事件时间的概念,只和物理时钟有关
*
* 当前读写时间-lastAccessTime>ttl,此时标记这个状态已经过期
* 之后会在后台启动一个清理的线程,定期把标记为过期的状态删除
*/
.setUpdateType(StateTtlConfig.UpdateType.OnReadAndWrite)
.build();

env.socketTextStream("hadoop102",9999)
.map(new WaterSensorFunction())
.keyBy(WaterSensor::getId)
.process(new KeyedProcessFunction<String, WaterSensor, String>() {

private ListState<Integer> listState;

@Override
public void open(Configuration parameters) throws Exception {
ListStateDescriptor<Integer> listStateDescriptor = new ListStateDescriptor<>("state", Integer.class);
//应用存货策略
listStateDescriptor.enableTimeToLive(ttlConfig);

listState = getRuntimeContext().getListState(listStateDescriptor);
}

@Override
public void processElement(WaterSensor value, KeyedProcessFunction<String, WaterSensor, String>.Context ctx, Collector<String> out) throws Exception {
listState.add(value.getVc());
Iterable<Integer> integers = listState.get();
List<Integer> top3 = StreamSupport.stream(integers.spliterator(), true)
.sorted(Comparator.reverseOrder())
.limit(3)
.collect(Collectors.toList());
out.collect(ctx.getCurrentKey()+"最新Top3:"+top3);
listState.update(top3);

}
}).print();

env.execute();
}
}

测试截图:

注意:最后一条记录要在上一条记录发送之后15秒之后再发

1.3、算子状态(Operator State)

算子状态(Operator State)就是一个算子并行实例上定义的状态,作用范围被限定为当前算子任务。算子状态跟数据的 key 无关,所以不同 key 的数据只要被分发到同一个并行子任务,就会访问到同一个 Operator State。

算子状态的实际应用场景不如 Keyed State 多,一般用在 Source 或 Sink 等与外部系统连接的算子上,或者完全没有 key 定义的场景。比如 Flink 的 Kafka 连接器中,就用到了算子状态。

当算子的并行度发生变化时,算子状态也支持在并行的算子任务实例之间做重组分配。根据状态的类型不同,重组分配的方案也会不同。

算子状态也支持不同的结构类型,主要有三种:ListState、UnionListState 和 BroadcastState。

1.3.1、列表状态(ListState)

与 Keyed State 中的 ListState 一样,将状态表示为一组数据的列表。

与 Keyed State 中的列表状态的区别是:在算子状态的上下文中,不会按键(key)分别处理状态,所以每一个并行子任务上只会保留一个“列表”(list),也就是当前并行子任务上所有状态项的集合。列表中的状态项就是可以重新分配的最细粒度,彼此之间完全独立。

当算子并行度进行缩放调整时,算子的列表状态中的所有元素项会被统一收集起来,相当于把多个分区的列表合并成了一个“大列表”,然后再均匀地分配给所有并行任务。这种“均匀分配”的具体方法就是“轮询”(round-robin),与之前介绍的 rebanlance 数据传输方式类似,是通过逐一“发牌”的方式将状态项平均分配的。这种方式也叫作“平均分割重组”(even-split redistribution)。

算子状态中不会存在“键组”(key group)这样的结构,所以为了方便重组分配,就把它直接定义成了“列表”(list)。这也就解释了,为什么算子状态中没有最简单的值状态(ValueState)。

案例实操:在 map 算子中计算数据的个数。

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public class OperatorListStateDemo {
public static void main(String[] args) throws Exception {
StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
env.setParallelism(2);

env
.socketTextStream("hadoop102", 7777)
.map(new MyCountMapFunction())
.print();


env.execute();
}


// TODO 1.实现 CheckpointedFunction 接口
public static class MyCountMapFunction implements MapFunction<String, Long>, CheckpointedFunction {

private Long count = 0L;
private ListState<Long> state;


@Override
public Long map(String value) throws Exception {
return ++count;
}

/**
* TODO 2.本地变量持久化:将 本地变量 拷贝到 算子状态中,开启checkpoint时才会调用
*
* @param context
* @throws Exception
*/
@Override
public void snapshotState(FunctionSnapshotContext context) throws Exception {
System.out.println("snapshotState...");
// 2.1 清空算子状态
state.clear();
// 2.2 将 本地变量 添加到 算子状态 中
state.add(count);
}

/**
* TODO 3.初始化本地变量:程序启动和恢复时, 从状态中 把数据添加到 本地变量,每个子任务调用一次
*
* @param context
* @throws Exception
*/
@Override
public void initializeState(FunctionInitializationContext context) throws Exception {
System.out.println("initializeState...");
// 3.1 从 上下文 初始化 算子状态
state = context
.getOperatorStateStore()
.getListState(new ListStateDescriptor<Long>("state", Types.LONG));

// 3.2 从 算子状态中 把数据 拷贝到 本地变量
if (context.isRestored()) {
for (Long c : state.get()) {
count += c;
}
}
}
}
}

1.3.2、联合列表状态(UnionListState)

与 ListState 类似,联合列表状态也会将状态表示为一个列表。它与常规列表状态的区别在于,算子并行度进行缩放调整时对于状态的分配方式不同。
UnionListState 的重点就在于“联合”(union)。在并行度调整时,常规列表状态是轮询分配状态项,而联合列表状态的算子则会直接广播状态的完整列表。这样,并行度缩放之后的并行子任务就获取到了联合后完整的“大列表”,可以自行选择要使用的状态项和要丢弃的状态项。这种分配也叫作“联合重组”(union redistribution)。如果列表中状态项数量太多,为资源和效率考虑一般不建议使用联合重组的方式。

使用方式同 ListState,区别在如下部分:

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state = context
.getOperatorStateStore()
.getUnionListState(new ListStateDescriptor<Long>("union-state", Types.LONG));

1.3.3、广播状态(BroadCastState)

有时我们希望算子并行子任务都保持同一份“全局”状态,用来做统一的配置和规则设定。这时所有分区的所有数据都会访问到同一个状态,状态就像被“广播”到所有分区一样,这种特殊的算子状态,就叫作广播状态(BroadcastState)。

因为广播状态在每个并行子任务上的实例都一样,所以在并行度调整的时候就比较简单,只要复制一份到新的并行任务就可以实现扩展;而对于并行度缩小的情况,可以将多余的并行子任务连同状态直接砍掉——因为状态都是复制出来的,并不会丢失。

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/**
* 场景单一:
* 用于一个配置流在更新配置时,可以将更新的信息放入广播状态
* 数据流,可以提供广播状态及时获取更新的配置信息
*/
public class Demo04_BroadCastState {
public static void main(String[] args) throws Exception {
//创建Flink配置类(空参创建的话都是默认值)
Configuration configuration = new Configuration();
//修改配置类中的WebUI端口号
configuration.setInteger("rest.port",3333);
//创建Flink环境(并且传入配置对象)
StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment(configuration);

env.setParallelism(2);

env.enableCheckpointing(2000);

//数据流
SingleOutputStreamOperator<WaterSensor> dataDS = env
.socketTextStream("hadoop102", 9999)
.map(new WaterSensorFunction());

//配置流
SingleOutputStreamOperator<MyConf> configDS = env.socketTextStream("hadoop102", 9998)
.map(new MapFunction<String, MyConf>() {
@Override
public MyConf map(String value) throws Exception {
String[] split = value.split(",");
return new MyConf(split[0], split[1]);
}
});

//只有把普通流制作为广播流,才能用广播状态
MapStateDescriptor<String, MyConf> mapStateDescriptor = new MapStateDescriptor<>("config", String.class, MyConf.class);

BroadcastStream<MyConf> confBroadcastStream = configDS.broadcast(mapStateDescriptor);

//数据流希望读取配置流中的信息,必须让两个流连接
dataDS.connect(confBroadcastStream)
.process(new BroadcastProcessFunction<WaterSensor, MyConf, WaterSensor>() {
//处理数据流的数据
@Override
public void processElement(WaterSensor value, BroadcastProcessFunction<WaterSensor, MyConf, WaterSensor>.ReadOnlyContext ctx, Collector<WaterSensor> out) throws Exception {
//获取广播状态
ReadOnlyBroadcastState<String, MyConf> broadcastState = ctx.getBroadcastState(mapStateDescriptor);
MyConf myConf = broadcastState.get(value.getId());

//用收到的配置信息,更新数据中的属性
value.setId(myConf.getName());
out.collect(value);

}
//处理配置流的数据
@Override
public void processBroadcastElement(MyConf value, BroadcastProcessFunction<WaterSensor, MyConf, WaterSensor>.Context ctx, Collector<WaterSensor> out) throws Exception {
//一旦收到了新的配置,就存入广播状态
//当作map用
BroadcastState<String, MyConf> broadcastState = ctx.getBroadcastState(mapStateDescriptor);
broadcastState.put(value.id,value);
}
}).print();
env.execute();
}

@Data
@AllArgsConstructor
@NoArgsConstructor
public static class MyConf{
private String id;
private String name;
}
}

测试截图:


10-Flink 状态管理
https://flepeng.github.io/044-Flink-42-核心概念-10-Flink-状态管理/
作者
Lepeng
发布于
2021年3月8日
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